長輸管道單側雙主纜式懸索跨越塔頂錨固裝置的設計研究

陳曉暉，左雷彬，張弢甲，許峻嶺，高 媛

1中國石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊

2中國石油天然氣股份有限公司管道分公司，河北 廊坊

3中國石油管道局第一工程分公司，河北 廊坊

4中國石油管道局工程有限公司國際事業(yè)部，河北 廊坊

1. 引言

據不完全統(tǒng)計，世界上接近100%的天然氣、85%的原油是通過長輸管道方式進行運輸?shù)腫1]，長輸管道在遇到河流、山谷、湖泊、沖溝等自然障礙，在地下穿越方式受限時，地上跨越則成為必選方式。在形式眾多的跨越結構中，懸索跨越因其受力明確、結構簡便、跨越能力強等突出優(yōu)點[1] [2]，得到越來越多的廣泛應用。

現(xiàn)有懸索式跨越中，全橋通常設置兩根主纜，即單側一根主纜，然而對于搭載管道直徑大、同時敷設多根管道以及跨徑較大的懸索管道橋，由于設計荷載較大，若單側采用一根主纜，主纜設計直徑極大，有時甚至無成品索可供選擇，此時只能采取現(xiàn)場預制平行索股法進行主纜安裝，工程建設周期長且難度較大。由于管道懸索跨越自重輕、整體剛度小、線性變化大等特殊性[3]，將大直徑主纜均分為截面較小的兩根主纜，可極大地提高運輸和安裝效率。

相較于單側單主纜可采用索鞍進行錨固的成熟方式[4]，由于單側雙主纜形式的新穎性，目前尚無穩(wěn)定可靠的塔頂錨固裝置進行成功應用，塔頂部位主纜的錨固質量直接影響主塔、主纜、橋面的結構安全，進而影響全橋的穩(wěn)定性，雙主纜在塔頂?shù)腻^固正在成為制約此種形式推廣的難點和關鍵。

2. 塔頂錨固裝置設計

根據懸索跨越結構形式，兩組主纜對稱布置于塔頂兩側，每側的邊跨與主跨主纜在塔頂也可近似認為對稱分布[5]，因此，整套裝置應呈前后對稱、左右平衡式。錨固裝置布置于主塔塔頂，由于塔頂空間所限，整個裝置體積應盡可能緊湊，且裝置自重應盡可能小以滿足塔頂?shù)跹b的要求。錨固裝置在塔頂位置示意圖如圖1 所示。

Figure 1. Schematic diagram of tower top layout of anchorage device 圖1. 錨固裝置塔頂布置示意圖

由于裝置各部分的受力和作用不同，錨固裝置由不同截面和厚度的鋼板組成，包括底板基礎、構造板、擋板、連接板、頂部蓋板、橫梁以及聯(lián)系梁，除頂部蓋板采用螺栓連接外，其余構件均采用焊接連接。底板與主塔塔頂預埋件進行連接，作為整個裝置的基礎，基礎之上設置構造板，形成裝置的基本形狀和輪廓，構造板前后兩端分別設置擋板，各擋板之間通過連接板進行連接和加固，裝置的前后兩個部分通過頂部蓋梁進行封閉，錨固裝置設計結構圖如圖2 所示。

Figure 2. Schematic diagram of structure of anchorage device 圖2. 錨固裝置結構示意圖

3. 有限元模型的建立

錨固裝置在塔頂承受兩側主纜強大的拉力，應力集中現(xiàn)象較為嚴重。建立模型時，需要將錨固區(qū)的主纜索力等效施加在錨固裝置與擋板之間接觸面以及錨固端上。主纜作用等效分解為張拉力、錨固力以及圓弧段的不均勻徑向壓力，兩側近似為對稱張拉主纜，分別產生徑向壓力滿足疊加效應。

由于整個裝置呈對稱式，為簡化分析，僅對其中一組錨固體系進行分析。根據上述傳力機理，采用Abaqus6.10.1 有限元軟件建立分析模型，采用C3D8R 單元模擬，單元尺寸約為20 mm，幾何模型和單元網格劃分分別為圖3(a)，圖3(b)所示。

幾何模型相互作用：加勁板與墊板通過Tie 約束住。邊界條件施加：底板下表皮的豎向(Y 向)位移自由度約束?。坏装遄髠冉屈c施加水平向(含X 向和Z 向)約束；側板的角點施加水平Z 向約束[6] [7]，詳見圖3(c)。

Figure 3. Numerical model 圖3. 數(shù)值模型

4. 荷載計算及施加

4.1. 荷載模式及計算方式

對于管道跨越工程，主纜是整個橋梁體系中承受全部豎向荷載的重要構件，其荷載模式主要包括永久荷載、可變荷載、偶然荷載[8]，其具體考慮類型及計算方式如表1 所示。

Table 1. Summary of load patterns and calculation methods 表1. 荷載模式及計算方式匯總表

4.2. 計算工況及荷載組合

計算工況及荷載組合方式如表2 所示。

Table 2. Calculation of working conditions and load combination tables 表2. 計算工況及荷載組合表

4.3. 荷載施加

主纜的破斷力按錨固裝置墊板的法向荷載施加[9]，其左側和右側荷載計算值及施加方式見圖4，其荷載為某懸索跨越根據上述計算方式和荷載工況組合計算的數(shù)值，以此作為實例進行荷載施加說明。

Figure 4. Main cable load applied (N/mm2) 圖4. 主纜荷載施加(N/mm2)

5. 計算結果及分析

5.1. Mises 應力云圖分析

根據有限元模型的計算條件和荷載情況進行分析，Mises 等效應力準則即第四強度理論[10] [11] [12] [13]，根據能量守恒原理，可用于判斷材料是否產生屈服，一般用于材料對疲勞、破壞進行評價，因此，將Mises 等效效力作為判斷錨固裝置安全性是否達到設計要求的主要依據。

實例中模型的Mises 和剖面Mises 應力云圖如圖5、圖6 所示。從圖中可以看出，當逐漸增加主纜拉力，主纜達到其破斷力時，錨固裝置兩邊弧形縱向連接板及中間縱向連接板的端部錨固位置處的應力最大，根據模型輸出結果，最大等效應力為353.4 MPa。

Figure 5. Mises stress cloud map 圖5. Mises 應力云圖

Figure 6. Profile Mises stress cloud 圖6. 剖面Mises 應力云圖

5.2. 應力應變關系

實例中錨固裝置所用鋼材材質均為Q345C，其彈性模量為206 × 103N/mm2，屈服強度標準值取為345 N/mm2。極限強度取為470 N/mm2，極限應變?yōu)?.2。在工程實際應用中，將應力應變關系按兩折線考慮，如圖7 所示。錨固裝置最大等效應力353.4 MPa 超出材料屈服強度標準值，但遠小于極限屈服強度，與Mises 應力云圖中產生紅色區(qū)域相符合。因此，可以判斷鋼結構設計選材較為合理，能夠滿足現(xiàn)實環(huán)境情況，考慮到結構的使用及耐久壽命，使結構更為安全時，鋼材表面的防腐涂裝也應是設計考慮的重點。

Figure 7. Relationship between stress and strain of steel 圖7. 鋼材應力應變關系圖

6. 結論

在大中型長輸油氣管道懸索跨越設計中，單側設置雙主纜的新型結構，可靈活多變的滿足現(xiàn)場地形狀況和場地條件，具有明顯的優(yōu)勢和推廣價值。主纜-主塔錨固裝置的設計可徹底解決主跨和邊跨主纜錨固和連接問題，其與塔頂?shù)暮附舆B接方式，也能夠在一定程度上解決單獨索鞍存在的滑移問題[14]，同時還可以滿足懸索橋主塔兩側主纜不同索力的使用需求。

采用大型通用有限元軟件對錨固裝置進行仿真模擬分析，在設計模型參數(shù)和荷載計算時，從模型可靠性、加載可行性以及計算有效性進行考慮，結果表明：當主纜達到其破斷力時，錨固裝置兩邊弧形縱向連接板及中間縱向連接板的端部錨固位置處的應力最大，但小于選材的極限屈服強度，錨固裝置的設計結構合理，安全性能夠達到使用要求。根據最大應力出現(xiàn)的位置分析，應重點加強錨固裝置與主纜連接處的擋板及縱向連接板的截面選型以及焊接連接質量。同時考慮到結構的使用及耐久壽命，使結構更為安全時，鋼材表面的防腐涂裝也應是設計考慮的重點。